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塑料热板焊接 VS 红外焊接

发布日期:2021-03-29 10:08 来源: 点击:

热板焊接和红外焊接属于塑料焊接的两种不同工艺。在热板焊接中,加热板与零件接触;而在红外焊接中,红外热源则不与零件接触。


两种塑料焊接技术最近都获得了巨大的发展,并且越来越受欢迎。通过伺服驱动,对模具位置、速度、力和加速度实现了精确控制,同时加强了过程控制和数据采集功能。此外,设备型号多样化,为工程师提供更多的选择。


红外焊接采用非接触加热方式,解决了热板焊接的一项重大挑战,即避免塑料或者玻纤粘附到加热板表面。当然,两种焊接工艺有各自的优缺点。


两种工艺通常用于需要高强度或者高密封性的产品,适合焊接大型、具有复杂几何形状的零件,尤其是腔体产品,例如水箱等。




热板 VS 红外焊接过程和加热原理



对于塑料焊接,有三种加热方式:传导、对流和辐射。热板焊接主要是热传导方式,而红外焊接主要是热辐射方式。


热板焊接过程包含三个关键步骤:(1)熔化阶段;(2)打开阶段:(3)密封阶段。


操作顺序如下:

  1. 操作员(或自动化机械)将要焊接的上下零件分别装入上下模具。

  2. 焊接循环开始,加热板移动到上下模具之间,然后上下模具移动靠近加热板,此时上下零件的焊接筋与加热板接触,塑料开始熔化。(熔化阶段)

  3. 达到熔化结束条件后,上下模具退回,加热板缩回。(打开阶段)

  4. 上下模具压紧,此时上下零件焊接筋相互接触和挤压,以实现焊接。(密封阶段)

  5. 当塑料冷却凝固后,上下模具打开,取出焊接完成的组件。


图片


红外焊接与热板焊接过程基本一致,差异在于熔化阶段,红外热源与零件无接触。



热板加热理论

采用热传导方式对焊接筋进行加热。热量从加热板出来,通过接触直接传导到焊接筋。从零件表面开始,并逐渐传导到焊接筋更深的位置。


在熔化阶段,要优化加热时间,产生足够的热量,获得最佳的材料软化深度。在密封阶段,要优化塌陷距离和压力,以获得最佳的焊接强度和密封性能。


该塌陷深度称为热影响区(HAZ),实际上可以在高倍放大镜下测量。如果热影响区太小,则意味着焊缝处挤出了过多的熔融材料,上下零件的冷态区域进行了连接,会导致焊接强度弱和密封性能差。如果热影响区太大,则在密封阶段施加的压力可能不足,导致焊接强度不足。



红外加热理论

采用红外热辐射对焊接筋进行加热。红外热源发出的能量光波,在焊接筋表面被吸收。表面吸收的热量通过热传导进入焊接筋更深的位置。

红外焊接过程中一个重要参数是加热速率。热塑性材料在加热时熔化并流动。如果加热太快,材料则会降解,发生燃烧或炭化的危险。许多塑料红外焊接时,塑料表面吸收红外热量迅速,但是内部热量传导却较慢,容易导致塑料表面过热降解。红外焊接与热板焊接一样,必须保证焊接筋有足够的材料软化深度,才能获得可靠的焊接性能。


材料吸收红外辐射的速率与三个特性有关:吸收率,透射率和反射率。这些特性受材料类型、颜色,填料和其它因素的影响。另外,红外灯管辐射的能力(波长和功率),也影响热辐射传递的效率和加热速率。


红外光波到达塑料表面的能量密度也会影响加热速率。该能量密度与两个因素有关:(1) 红外热源与加热表面的距离;(2) 红外能量聚焦方式。


简而言之,有许多因素影响塑料吸收红外的速度,关键是控制该速度避免材料过热降解。


例如,具有高玻纤含量的黑色不透明材料,表面吸收红外速度很快,但是材料内热传导速度不快,因此容易导致外表面过热。白色不含玻纤的材料,材料内热传导速度大于表面红外吸收速度,因此无表面过热风险。不过,其整个焊接时间会更长。




加热阶段的塌陷位移




热板焊接和红外焊接之间另一个区别,是在加热阶段焊筋是否有塌陷位移。


在热板焊接的熔化阶段,因为上下零件的焊筋与加热板之间接触,所以上下模具和热板压紧时,焊筋有一定的塌陷位移。这个位移对焊接是一件好事:对上下焊筋表面进行精确整形,促使上下件焊筋更接近设计形状且相互匹配。避免零件变形对焊接均匀性的影响。


因为上下焊筋表面彼此均匀贴合,所以在密封阶段施加焊接压力时,整圈焊筋上压力分布均匀。均布的焊接压力对产生高强度、高密封性的焊缝至关重要。


采用红外焊接时,焊接筋和红外发射器之间没有接触。因此,无法校正焊接筋与设计的不一致性。采用红外焊接时,对注塑件尺寸有更高的要求。


当焊接筋是三维轮廓时,红外发射器与焊筋表面的相对位置和距离尤为重要。为了确保加热均匀,实现稳定的焊接结果,必须严格评估模具设计能否均匀加热轮廓表面。如果在熔化阶段加热不均匀,则在密封阶段压力分布不均匀,则会导致较差的焊接质量。




对内部组件的影响




产品设计师应该巧妙地将子组件固定在要焊接的组件中。无论这些内部元件是电池、PCB板、过滤器、O形圈还是LED灯,工程师都应注意焊接过程中产生的能量不会损坏它们。


在热板焊接中,这些元件暴露于加热板附近的时间非常有限,但是仍需要评估热源与组件之间的距离。


在红外焊接中,这些元件会长时间暴露在高能量辐射下。这种暴露可能会损坏这些元件。因此,需要使用挡板来屏蔽辐射源,保证这些元件免受红外能量的影响。


无论采用哪种工艺,都应该进行模拟测试,即模拟热源和暴露时间来评估对元件的损伤。




热板焊接的缺陷




热板焊接有一个最大的问题是加热板磨损和塑料粘接/堆积在加热板上,有时粘接的塑料会掉落到产品内部产生不合格件。红外焊接非接触式加热则完美的解决了这个问题。


尽管耐用的防粘涂层的发展已经大大减少了热板焊接的一些问题。但是,带涂层的加热板仍必须进行定期保养或更换。


伺服热板焊接机也有助于解决粘结问题。通过伺服控制,上下模具以很高的加速度从热板上取出零组件。这样可以最大程度地减少或消除熔化阶段材料在热板上的粘附和堆积。




成本比较





电能消耗

红外焊接工艺:只有在熔化阶段,红外发射器开启,其余阶段红外发射器关闭。在整个生产中,机器消耗的功率更少。


热板焊接工艺:在整个生产中,加热板都必须保持在程序设定的温度。另外,在生产班次开始时,需要对加热板进行预热。因此,热板焊接消耗的功率更大。



生产节拍

红外焊接的周期时间更长,典型周期时间为20到60秒。热板焊接的周期时间较短,典型周期时间为8到30秒。



设备成本

两种工艺的设备成本相当。但是,根据红外发射器的样式和数量,红外焊接设备可能更贵,比热板焊接高30%至40%。需要注意的是,设备成本高度依赖于产品尺寸和几何形状等。



设备维护

红外焊接设备需要每隔几年更换一次红外发射器。即便是标准发射器,也可能比较昂贵。如果是定制的发射器,成本更高,且需要较长的交货时间。


热板焊接设备上的加热板内置的加热棒也需要更换,但其成本较低且更加耐用。加热板上的不沾涂层的寿命和耐久性是有限的,因此必须定期表面喷涂。如果焊接材料中含有玻纤,加热板容易磨损,现场必须准备加热板备件进行更换。




总结



红外和热板焊接都是可行且可靠的塑料焊接工艺,有各自的优点和缺点。和所有其它塑料焊接工艺一样,从产品结构和尺寸、材料、焊接性能要求,生产节拍和稳定性等角度来选择何种工艺。强烈建议客户在产品开发时,与具有适当测试和经验的应用实验室进行合作,以规避一些风险。

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